Основи теорії броунівського руху. Дифузія. Характеристика осматичного тиску. Седиментаційна стійкість колоїдних систем

1.Основи теорії броунівського руху.

У 1828р англійський ботанік Р.Броун під мікроскопом спостерігав хаотичний рух частинок пилку квітів у водній суспензії. В результаті подальших експериментальних досліджень у 80-ті рр. було зроблено внесок проте, що джерелом хаотичного руху частинок є не зовнішні причини, а внутрішні, притаманні системи. Рух частинок спричиняється не повністю скомпенсованими ударами молекул дисперсійного середовища. Тому частинка отримує в кожний момент сумарний ненульовий імпульс руху і зміщується в його напрямку. Цей рух називається броунівським на честь ученого Р.Броуна. Якщо зависла в рідині частинка за розмірами в тисячі разів більша за молекулу рідини, то поштовхи цих молекул по частинці взаємно компенсуються і вона зберігає стан спокою. В міру зменшення розміру частинок число та інтенсивність поштовхів з одного боку в якийсь момент часу може виявитись більшим, ніж з другого боку і частинка почне«танцювати» на місці. При подальшому зменшенні розміру частинки вона почне рухатись. Рух здійснюється цілком хаотично в будь-якому напрямку. Інстенсивність руху частинки збільшується зі зменшенням її розміру, з підвищенням температури, а також зі зменшенням в’язкості рідини. Броунівський рух найінтенсивніше спостерігається у високодисперсних системах.

На основі молекулярно-кінетичної теорії Ейнштейн і Смолуховський у 1905-1906рр. створили теорію броунівського руху, в основі якої лежав постулат про хаотичний рух частинок, тобто про рівноправність усіх напрямків руху. Для кількісного оцінювання руху вони запропонували середньоквадратичний зсув частинки,який характеризує зміни координат частинки  за певний період часу. Зсув частинки визначається її середньоквадратичним зміщенням  за рівнянням:   де  – зсув частинки за певний час. Для сферичних частинок з радіусом r середньоквадратичний зсув визначається співвідношенням кінетичної енергії та сили гідродинамічного опору під час руху частинок дисперсної фази у  дисперсному середовищі в’язкістю : F=6      де  – час спостереження, с ; к – стала Больцмана- 1.380662 * Дж\К. Теорія Ейншейна – Смолуховського дала можливість обґрунтувати причини броунівського руху і визначити статистичний характер кінетичної енергії молекул.

2.Дифузія.

Дифузія – самочинний процес вирівнювання концентрації компонентів системи за наявності градієнта концентрації або температури, який призводить до досягнення однакового значення хімічного потенціалу кожного компонента в усіх елементах об’єму системи. Згідно з першим законом Фріка інтенсивність перенесення речовини dm\dx через площу поперечного перерізу S та за градієнтом концентрації dc\dx описується рівнянням .  Коефіцієнт пропорційності D називають коефіцієнтом дифузії, який виражає кількість речовини, що переноситься І через площу 1 м² за 1 с за одиничного градієнта концентрації. Величина D є кількісною характеристикою дифузії.Кількісно дифузія визначається коефіцієнтом дифузії, що пов’язана із середньоквадратичним зсувом дисперсної частинки співвідношенням Ейнштейна: . Таким чином, дифузія безпосередньо зв’язана з броунівським рухом: . Дифузійні процеси мають дуже важливе значення у різних технологічних процесах харчової промисловості. Вилучення цукру з буряків відбувається за рахунок дифузії цукру з клітин цукрового буряка, внаслідок чого отримують дифузійний сік. Завдяки дифузії молекул сахарози також ростуть кристали у процесі цукрування. Дифузія відбувається у процесі набухання різних харчових матеріалів під час їх перероблення, у процесах адсорбції.

3.Характеристика осматичного тиску.

Для ідеальних розчинів осматичний тиск П визначається за рівнянням Вант-Гоффі: П=CRT, де С – молярна концентрація розчиную У колоїдних розчинах використовується чисельна концентрація . Отже, оматичний тиск колоъдного розчину можна визначити за рывнянням: П=. Із цього рівняння видно, що осматичний тиск прямо пропорційний розміру частинок у третьому степені. Чим більший розмір частинок, тим менший осматичний тиск. Цим пояснюється дуже малий осматичний тиск колоїдних розчинів. Розглянемо осматичний тиск двох розчинів,що різняться лише чисельною концентрацією. Відношення цих тисків з останнього рівняння буде дорівнювати